Глава 4. Энергоснабжение узла
4.1 Электроснабжение узла
Высокое напряжение на городские подстанции подается по подземным кабельным каналам. Затем также по подземным кабельным каналам в дома поставляется пониженное напряжение, которое подается на огороженную площадку с установленной на ней трансформаторной подстанцией. Высокое напряжение к таким ТП подводится по воздушной линии, далее пониженное напряжение распределяется между потребителями также по воздушным линиям, закрепленным на столбах. Первый фронт работ, связанный с электрообеспечением, относится к электрическим сетям, которые используются для подачи тока к частным строениям. Электрические сети бывают наружными и внутренними. Наружные сети предназначены для передачи электроэнергии от наружных магистральных электролиний, имеющих напряжение 220 или 380 В, непосредственно до ввода в здание.
Для электрификации прежде всего надо подготовиться в плане обеспечения ответвления от ближайшего столба высоковольтной линии (ВЛ). Для этого следует руководствоваться следующими правилами. Максимально допустимое расстояние от вводного устройства до столба ВЛ составляет 25 м. Если оно больше, то необходима установка промежуточной опоры.. Так, высота кабеля над проездом для автотранспорта не может быть менее 6 м в самом низком месте, а высота кабеля над пешеходными дорожками и проходами - 3,5 м. Провода крепят к изоляторам на доме так, чтобы они находились не ниже 2,75 м от земли.
Отводящие линии, по которым электроэнергия поступает в дом, можно разделить на два участка. Первый из них - это провод воздушной линии от ближайшей опоры линии электропередач до изоляторов на кронштейне, который встроен в стену дома. Второй участок - путь от изоляторов до электрического распределительного щитка. Электрические вводы обычно выполняются многожильными алюминиевыми проводами или кабелями необходимого сечения. Наилучшим вариантом считают тот, при котором ввод осуществляют одним куском кабеля, проходящим от воздушной линии электропередач до распределительного щитка. Такой кабель подсоединяют к нулевой фазе.
Схема внутреннего электроснабжения предприятия разрабатывается с учетом размещения источников питания и потребителей, величин их напряжений и мощностей, требуемой надежности, расположения и конструктивного исполнения линий, РП и цеховых ТП, а также требований к системе электроснабжения.
Кабель каналы 60х40 предназначенные для прокладки в них скрытым и открытым способами по сгораемым и несгораемым поверхностям как внутри помещений, так и на открытом воздухе электрических, телефонных, компьютерных и телевизионных сетей, работающих при электрическом напряжении постоянного или переменного тока величиной не более 1000 вольт. Размер короба 60х40 подходит под самый большой объём кабелей, которые будут использоваться.
Очень многие конечные устройства в локальной сети отличаются невысокой потребляемой мощностью. В связи с этим осуществляется поддержка питания оборудования данной разновидности непосредственно по кабельным трактам. Реализация данной концепции устраняет необходимость в установке отдельной розетки электропитания для каждого такого устройства и, кроме того, обеспечивает подачу напряжения на сетевое информационное оборудование отдельно от устройств других типов, что в некоторых организациях является обязательным требованием в политике обеспечения бесперебойным питанием.
Если устройства обработки данных снабжаются электроэнергией по локальной сети, то, как правило, они защищены с помощью ИБП. Установленные в монтажных шкафах серверы и различное сетевое оборудование практически всегда подключаются к системе бесперебойного питания. Теперь, когда подача питающего напряжения на конечные устройства осуществляется от коммутатора уровня рабочей группы, область действия этой системы распространяется и на пользовательское оборудование.
Свыше 90% современных сетей передачи данных базируется на протоколах 10BaseT (Ethernet), 100BaseTX (Fast Ethernet) и 1000BaseT (Gigabit Ethernet).
Разработан стандарт IEEE 802.3af, где нормируется подача питающего напряжения по кабельным трактам локальной сети (PoE). При этом раздел Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI) предусматривает наличие опционального блока электропитания: он не имеет отношения к передаче данных, однако может использовать физический уровень сетей стандарта Ethernet и подавать питающее напряжение по кабелям структурированной проводки конечному пользовательскому оборудованию. Питающее напряжение должно передаваться на конечные устройства стандартов 10BaseT, 100BaseTX и 1000BaseT через интерфейсы модульного разъема RJ45. Эта разновидность штекерного соединителя обеспечивает соединение четырех витых пар, отдельные проводники которых подключаются к контактам 1-2, 3-6, 4-5 и 7-8.
Распределение отдельных контактов разъема RJ45 оказывает самое непосредственное влияние на выбор режима питания по кабельным трактам локальной сети. Стандарт нормирует три варианта функционирования источника, когда задействуются различные пары симметричного кабеля:
Endpoint PSE, режим работы А;
Endpoint PSE, режим работы В;
Midspan PSE, режим работы В.
В режиме работы А питающее напряжение подается на пары 1-2 и 3-6 с использованием фантомной схемы. В случае применения сетевого оборудования стандартов Ethernet и Fast Ethernet пары 4-5 и 7-8 остаются незадействованными и доступны другим приложениям. Такой режим эффективен в сетях, в кабельной системе которых применяется принцип разделения кабелей (cable sharing), когда по одному кабелю параллельно функционирует несколько служб. Кроме того, режим А может использоваться для оборудования стандарта 1000BaseT, в соответствии с которым для информационного обмена задействуются все четыре пары кабеля.
В режиме работы В подача питающего напряжения осуществляется по парам 4-5 и 7-8, тогда как пары 1-2 и 3-6 предназначены исключительно для передачи информации. Применение данного режима допустимо в случае всех двухпарных приложений (Ethernet, Fast Ethernet и ISDN), однако поддержка Gigabit Ethernet становится невозможной, поскольку этот сетевой интерфейс задействует все четыре пары горизонтального кабеля.
С технической точки зрения Midspan PSE и Endpoint PSE в режиме работы В по сути одинаковы. Единственное отличие заключается в том, что в случае Midspan PSE питающее напряжение подается на конечное устройство не от коммутатора рабочей группы, а от отдельного внешнего источника. На практике его функции обычно выполняет питающая панель Power Injection Panel, которая в большинстве известных вариантов имеет высоту 1U и содержит до 24 питающих портов.
В целях предотвращения повреждения конечного сетевого устройства источник генерирует питающее напряжение только в том случае, если к кабельному тракту подключаются устройства с поддержкой опции дистанционного питания. Для выполнения процедуры опознавания они содержат соответствующую пассивную резисторную схему. Активный источник питания измеряет протекающий через нее ток и осуществляет процедуру идентификации пассивного устройства. Дополнительно определяются режим работы и потребляемая устройством мощность, в соответствии с которой все потребители, согласно IEEE 802.3af, делятся на пять классов:
Таблица 4.1 – Классы мощности.
Постоянное напряжение может меняться в пределах от 44 до 57 В, а наибольший ток потребления установлен в 350 мА, причем в момент включения разрешается его увеличение до 400 мА. Максимальная допустимая мощность источника составляет 15,4 Вт, но если конечное устройство подключено к 90-метровому горизонтальному кабелю, то потребляемая им мощность ограничивается 12,95 Вт. Конечное оборудование должно поддерживать оба режима работы (А и В) — в некотором смысле ему все равно, какой режим будет использован.
При реализации системы дистанционного питания в тех сетях, где кабельная система эксплуатируется с использованием принципа Cable Sharing, возникает существенная проблема: в таком случае невозможен свободный выбор режима работы источника. Режим В не подходит, потому что обе пары (4-5 и 7-8) зарезервированы для передачи питающего напряжения. Выход из подобной ситуации достигается путем применения технологии мультиплексирования питания.
Суть решения состоит в установке специальной вставки в коммутационную панель:
Рис. 4.1 – Розетка RJ-45.
При работе порта коммутатора в режиме А (сигнал и питающее напряжение находятся на контактах 1-2 и 3-6 разъема) ток дистанционного питания просто передается через вставку, а в режиме В напряжение снимается с пар 4-5 и 7-8 и передается на пары 1-2 и 3-6. Таким образом, сигнал коммутатора вместе с питающим напряжением поступает только на пары 1-2 и 3-6. На остальные контакты разъема могут подаваться сигналы других приложений.
Даже в будущем по кабельным трактам локальной сети будут передаваться сигналы не только Gigabit Ethernet и других четырехпарных приложений. Для поддержки функционирования малопарных приложений использование тракта передачи в режиме Cable Sharing обеспечит экономически выгодное подключение новых устройств и пользователей без создания дополнительной нагрузки на кабельные каналы.
Режим работы PoE поддерживают далеко не все конечные устройства. Наиболее массовым потребителем такой техники являются IP-телефоны, поскольку они представляют собой обычные устройства Ethernet, которые в перспективе должны заменить классические телефонные аппараты. Например, на этаже офисного здания, где предусмотрено 300 рабочих мест, использование обычных IP-телефонов потребует 300 дополнительных сетевых розеток и такое же количество силовых! Немаловажное значение имеют и действующие нормы по обеспечению безопасности. В настоящее время в случае выхода из строя системы электропитания телефонный аппарат часто является единственным функционирующим средством связи с внешним миром. Обычный IP-телефон, не поддерживающий опцию PoE, при отсутствии напряжения в сети работать не будет, а вот дистанционное питание обеспечит функционирование телефонной сети благодаря наличию ИБП или агрегата аварийного питания.
Аналогичным образом обстоят дела с камерами системы видеонаблюдения, оснащенными встроенным сервером Web. Подобным оборудованием можно управлять по IP-адресу аналогично другим сетевым устройствам. В большинстве случаев камеры представляют собой малогабаритные устройства, размещаемые в тех точках помещения, с которых открывается хороший обзор. Кроме того, нередко от них требуется бесперебойное функционирование. При такой установке камер розеток питания поблизости нет. Кроме того, определенные проблемы вызывают подключение питающего кабеля и установка штатного блока питания.
Еще один немаловажный аспект внедрения концепции PoE в широкую практику состоит в появлении новых массовых разновидностей оборудования (например, камер видеонаблюдения с сервером Web и точек доступа беспроводных локальных сетей), вследствие чего увеличивается плотность портов структурированной проводки. Данное обстоятельство должно быть учтено в процессе проектирования информационной инфраструктуры. Например, наличие только одного порта в настенном канале явно недостаточно для подключения точки доступа.
Система подачи дистанционного питания по кабельным трактам Ethernet дает возможность применять конечные устройства без обязательного ранее блока питания от выделенной силовой сети. Кроме того, в настоящее время имеется достаточно большое количество самого разнообразного оборудования, питание которого осуществляется только через порт или необходимо лишь для подзарядки аккумулятора. Так уже появляются многочисленные разновидности карманных компьютеров и мобильных телефонов. Для пользователей ноутбуков чрезвычайно привлекательной является перспектива подзарядки аккумуляторов от сети Ethernet.
Стандартом передачи данных локальной вычислительной сети будет использован стандарт Fast Ethernet 100BASE-TX. В этом стандарте для передачи данных используются 8-контактные разъемы типа RJ-45 и кабель категории 5, тип кабеля для передачи сигналов, состоящий из 4-х витых пар. Для борьбы с помехами используют только свойства витой пары при передаче дифференциальных сигналов.
Кабель - витая пара категории 5. Тип кабеля для передачи сигналов, состоящий из четырёх витых пар. Этот тип используется в структурированных кабельных системах для компьютерных сетей, таких как Fast Ethernet. Он также используется для телефонии и передачи видео. Кабель терминируется модульным разъемом RJ45 или на патч-панели. Большинство кабелей 5-й категории является неэкранированным. Для борьбы с помехами используют только свойства витой пары при передаче дифференциальных сигналов. Витая пара категории 5 подходит для реализации дипломного проекта, поскольку но может работать со скоростью 100Мб/с на расстоянии достаточном для данной задачи. Кабель лучшее соотношение цена-качетво.
Разъемом RJ45 это унифицированный разъем, который используется в телекоммуникациях и имеет восемь контактов и защёлку. Используется для создания локально вычислительных сетях по технологиям 10BASE-T, 100BASE-T и 1000BASE-TX с использованием 4-парных кабелей витой пары, а также многих других областях техники. Это самый распространённый разъём подходящий ко всему используемому сетевому оборудованию.
Необходимо так же использование резервного источника электроэнергии. Автоматизированный генератор позволяет не допускать простоев производственного процесса. Наличие собственной резервной электростанции поможет избежать убытков и порчи продукции, неизбежно возникающих при перебоях электропитания. Обычно, генераторы для резервного энергоснабжения оснащаются системой автоматического ввода резерва (АВР), которая является "передаточным ключом" между генератором и сетью. При пропадании внешней сети АВР автоматически запускает генератор и переключает на него нагрузку. Для обеспечения постоянной готовности резервной электростанции она также оборудуется системами подогрева, зарядки аккумуляторов, увеличенным топливным баком или системой автоподкачки топлива. Контроль за работой электростанции возможно осуществлять с помощью систем удаленного мониторинга.
Перед тем как выбрать источник бесперебойного питания (ИБП) для севера следует учитывать некоторые отличия сервера от обычного компьютера.
Прежде всего, сервер связан не только с периферийными устройствами, но и с компьютерами пользователей, которые имеют удаленный доступ к данной сети. Так же с помощью локальной сети им можно управлять, тестировать и автоматически диагностировать аккумулятор.
Т.к. мощность, выдаваемая ИБП для сервера очень большая, система питания обычно состоит из блоков, установленных в одну серверную стойку, что позволяет производить ремонт без отключения источника бесперебойного питания от сети, заменив неисправный блок на резервный.
ИБП, имеющие систему с двойным преобразованием избавлены от проблемы с переключением питаемой нагрузки с напряжения сети на генератор, питаемый от батареи, что может вызвать кратковременный сбой питания на всех подключенных устройствах.
Так же такой ИБП должен обладать функцией настройки включения и выключения по простому принципу: есть свет – работает, нет света – логично предположить, что не работает.
При недостаточной выходной мощности источника бесперебойного питания, возможны:
Кратковременное отключение компьютера (что сразу влечет за собой потерю данных).
Превышение силы тока в 1,5-2 раза - переключит ИБП в режим защиты. Даже если «превышение» длилось по времени 20-30 мс.
Во избежание подобных случаев следует выбрать ИБП с возможностью установки дополнительных аккумуляторов.